我是谁?基因无法回答的问题,也许它可以回答

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“我是谁?“基因组的不同,决定了一个人与其他千千万万人在生理特征上的差异。然而,基因只是一种出厂设置,离开母腹的“我”是如何变成今天的样子?“我”的思想、“我”的行为,到底由什么来决定?神经科学家认为,答案就在人脑神经元的所有连接之中。本文节选自《神奇的连接组》(人民邮电出版社,2022年9月版)引言,有删减,标题为编辑所加。撰文 | Sebastian Seung翻译 | 孙天齐
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图灵新知站在巨人的肩上,传递新知科普好书。4篇原创内容公众号任何路,任何足迹,都不曾越过这片森林。只有纤长而柔美的枝条,生生不息地,以令人窒息的样子,占领着这片森林的一切空间。它们彼此纠缠,其间的缝隙之狭窄,让阳光也望而却步。曾有约1000亿颗种子同时被播下,长出这片黑暗森林,而所有的树木,又注定将在一朝赴死。这是一片宏伟的森林,是喜剧的森林,也是悲剧的森林。这片森林包含很多,有时我想,这片森林是一切。所有的小说和所有的交响乐,所有残忍的谋杀和所有仁慈的善举,所有的爱情和所有的争执,所有的幽默和所有的忧伤,都来自这片森林。你可能会讶异,这片森林存在于直径不及1英尺(约30.48厘米)的空间里。地球上有70多亿片这样的森林,你正是其中之一的主人,它就生长在你的颅骨里。我所说的树木,是一种特殊的细胞,叫作神经元。神经科学的目标,就是去探索它们那些奇异的枝条,征服这片心灵丛林(见图1)。
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图1 心灵丛林—大脑皮层上的神经元。通过卡米洛·高尔基(Camillo Golgi,1843—1926)的方法染色,由圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔(Santiago Ramón y Cajal,1852—1934)绘图神经科学家们听到了它们的话语,即大脑中的电信号。他们用精准的图画和照片,揭示了神经元的形态。可是,仅凭一些零散的树,如何理解这整片森林?17世纪,法国哲学家和数学家布莱士·帕斯卡(Blaise Pascal)这样形容宇宙的广袤:让一个人抛开眼前卑微的事物,望望整个自然界的伟大和庄严。让他看那炽燃的大光,像一盏永恒的明灯照耀着世界。让他看到地球,再让他知道,相比于太阳的大圆,地球只是一个点。让他惊讶,太阳的大圆,在天穹上那些星宿看来,也是一个微小的点。这些想法使帕斯卡感到震撼,感到自己的渺小,他承认“永恒的沉寂和无限的空间”使他恐惧。他思考的是外面的空间,然而我们只需要想想“思考”本身,便能感受到和他一样的恐惧。每个人的颅骨当中,都坐落着一个宏伟的器官,这个器官,恐怕亦是无限复杂。作为一名神经科学家,我切身地理解帕斯卡的恐惧。与此同时,我还体会到某种尴尬。有时我面向公众,讲述我们领域的进展,每次这样的演讲之后,我都会被大量的问题轰炸:是什么导致了抑郁症和精神分裂症?爱因斯坦和贝多芬的大脑有什么特殊之处?怎么才能让我的孩子学习更好?对于这样的问题,我无法给出令人满意的答案,于是听众的脸色就变了。我很不好意思,最后只能向听众道歉:“对不起,你们以为我当教授是因为我知道所有的答案;但实际上,我当教授恰恰是因为我知道我有多么无知。”研究一个像大脑这么复杂的东西,看起来几乎是徒劳。大脑里面有上千亿个神经元,它们就像很多不同种类、形态各异的树。只有最富决心的探险家,才敢走进这样的森林去看一看,但他们走进去之后,却只能看到一点,而且看不清。毫无疑问,大脑仍是一个谜。且不说我的听众所好奇的大脑的疾病和特殊优势,哪怕是最平凡的问题,我们现在也很难解释。我们每天都要回忆过去,感知当下,想象未来,大脑是怎么做到这些的?我敢明确地说,没有人真正知道。鉴于人类大脑的复杂性,有些神经科学家转而去研究一些神经元特别少的动物。比如图2中的虫子,它并不具有我们称为脑的器官,它的神经元分散在全身各处,而不是集中于一个器官中。它总共只有302个神经元,这些神经元组成了它的神经系统。这听起来很容易研究,我相信即使悲观如帕斯卡,也不会对秀丽隐杆线虫(C. elegans,这是这种约1毫米长的虫子的学名)的“森林”感到恐惧。
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图2 秀丽隐杆线虫这种虫子的每一个神经元都有特定的位置和形态,并且被赋予了唯一的名称。这种虫子就像工厂流水线上大规模生产出来的一种精密机器:每只虫子的神经系统,都由一套相同的零件组成,其中的每个零件,总是按照同样的方式组装。此外,这个标准化的神经系统的结构,已经被我们完全测绘出来了。其结果就是图3,看起来很像航空杂志封底的航线图。每个神经元都有一个由四个字母组成的名称,就像每个机场都有一个三个字母的代码。那些线段表示神经元之间的连接,就像航线图中的线段表示城市之间的航路。如果两个神经元之间有一个叫作突触的交会点,我们就说这两个神经元是“有连接的”。通过突触,一个神经元可以把信息传递给另一个神经元。
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图3 秀丽隐杆线虫的神经系统结构图,或称为连接组工程师们都知道,要制造一台收音机,就要把电阻、电容、晶体管这些电子元件连接起来。类似地,要组建一个神经系统,就要通过神经元的那些纤细的枝条,把它们连接起来。因此,像图3这样的图,最初被称为线路图。而最近,我们提出了一个新的术语:连接组(connectome)。这个词不再是受电子工程师的启发,而是受基因组学的启发。你可能听说过,DNA(脱氧核糖核酸)是一个由分子组成的长链条,这个链条上的每个点叫作核苷酸。核苷酸有四种,分别用字母A、C、G和T来表示。而你的基因组(genome),就是你的DNA上这些核苷酸组成的全体序列,或者你可以把它看成由四种字母组成的一个很长的字符串。这个字符串总共有大约30亿个字符,如果写成一本书,将有100万页的厚度,图4展示了其中一个小片段。
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图4 人类基因组的一个小片段同样,一个连接组,就是一个神经系统中,各个神经之间的连接的全体。这个术语与基因组一样,意味着全体。一个连接组不是一条连接,也不是很多连接,而是所有的连接。从理论上来说,你的大脑也可以用一个线路图表示出来,就像那条虫子一样,但是你的大脑要复杂得多。那么,你的连接组,能够说出什么有趣的事情呢?首先,它能够说明一个道理——你是独一无二的。你可能会说,你早就知道这一点(那是当然),不过在以前,要想搞清楚你的独特性是由什么带来的,存在惊人的困难。你的连接组与我的连接组之间存在巨大的差异,这与那些虫子的标准化连接组不同。从这个角度来说,每个人都是独特的,但那些虫子并不是。(我无意冒犯虫子们!)参差多态,乃是幸福本源。研究大脑的工作原理时,最让我们感到有趣的就是,每个人的大脑运转得竟然如此不同。为什么我不能像那个外向的朋友一样开朗?为什么我的儿子读书就是赶不上他的同学?为什么我的小表弟产生了幻听?为什么我妈妈失忆了?为什么我的爱人(或者我自己)不那么善解人意?心灵与思维之不同,正是因为连接组之不同。有些报纸的标题常常暗含着这个理论,例如《孤独症患者的大脑与常人不同》。连接组也许还能解释个性和智商,可能还有你的记忆。你的记忆是你身上最为独特的部分,而它们也许就编码在你的连接组里。虽然这个理论已流传了很长时间,但是神经科学家们仍然不知道它是否正确,不过很显然,这个理论的意义非常重大。如果它是对的,那么治疗精神障碍的根本方法就是修复连接组。事实上,一个人的任何改变,比如提高素质、减少喝酒,或者挽救一段婚姻,其实都是对连接组的改变。再来看一个不同的理论:心灵与思维之不同,是因为基因组之不同。简而言之,你的基因组使你成为你。现在这个时代,个人基因组测序已经不是什么难事,再过不久,就可以便宜又快速地测出我们自己的DNA序列。而且我们还知道,在精神障碍或者一些常见特质,比如个性和智商中,基因确实有其作用。那么,既然对基因组的研究已经如此深入,为什么还要研究连接组呢?原因很简单:单凭基因无法解释大脑为什么这样工作。早在蜷缩在母亲子宫里的那一刻,你就已经拥有了你的整个基因组,可是在那时,你并没有对于初吻的回忆。你的记忆是在一生中不断形成的,而不是先天就有的。有些人会弹奏钢琴,有些人会骑自行车,这些都是后天学会的技能,而不是随着基因而来的本能。从你的母亲受孕的那一刻起,你的基因组就已经固定了,但与此不同,你的连接组在你的一生当中始终在改变。神经科学家们指出了这些基本的改变是如何发生的。首先,神经元会调整彼此之间的连接,使它们变得更强或更弱,从而给这些连接重新赋予权重。其次,神经元还能创建新的突触,或者去掉一个突触,这样它们就能重新连接,它们还能通过生长新的枝条或收回原有的枝条来改变连线的结构。最后,新的神经元会不断地产生,旧的神经元会不断地死去,这些会使连接发生重建。我们还不知道你的生活经历——比如你父母的离异,或者你传奇的海外经历——具体是如何改变你的连接组的。但是,有很多证据能够表明,这四个“重新”——重新赋权、重新连接、重新连线、重新生成——会受到你经历的影响。与此同时,四个“重新”也受基因的指挥。基因确实会影响心智,尤其是在幼年和童年,大脑开始建立连接的时候。连接组是由先天的基因和后天的经历共同塑造的,要解释大脑如何运转,就必须考虑到这两种影响和作用。“连接组不同论”是兼容于“基因组不同论”的,只是比后者更加丰富、更加复杂,因为它考虑到了你活在这个世界上的后天作用。相比来说,连接组理论不那么具有命运色彩,因为它相信,我们的连接组可以由我们的行为和思维来塑造。大脑的连接结构,使我们成为我们,但反过来,我们也在影响大脑的连接结构。这个理论总结起来就是:你不只是你的基因组,你是你的连接组。如果这个理论是正确的,那么神经科学最重要的目标就是去驾驭四个“重新”。需要知道,连接组发生什么样的改变,才能使我们表现出我们所希望的行为,然后需要开发出相应的方法,来制造这种改变。如果我们成功了,神经科学就能够有效地治疗精神障碍,治疗大脑的损伤,并且使生活更美好。然而,鉴于连接组的复杂性,这是一个艰巨的挑战。秀丽隐杆线虫只有7000条连接,但是测绘它的连接组却花了我们10多年时间。而你的连接组的规模,是它们的1000亿倍,其中的连接数量,是你的基因组字母数量的100万倍。与连接组相比,基因组简直就是小孩子过家家。今天,我们终于具备了有力的技术和工具,能够面对这项挑战。配合最尖端的显微镜,我们的计算机能够采集并存储巨大的脑图像数据库,帮助我们处理和分析滚滚而来的数据流,从而测绘神经元之间的连接。依靠这样的机器智能,我们最终看到了为难我们多年的连接组。我相信,在21世纪结束之前,我们有机会测出人类的整个连接组。我们会从线虫到果蝇,然后到小鼠,接着是猴子,最后会面对最终极的堡垒——人类大脑。当后代追溯我们这一系列成就时,一定会惊叹这是多么重要的科学革命。是否必须再等几十年,连接组才能向我们透露一些关于大脑的奥秘呢?幸运的是,并非如此。现在的技术,已经足以让我们看到大脑的一个小局部的连接关系,而这样的局部的知识,也是非常有用处的。另外,老鼠和猴子也能够让我们搞清楚许多问题,因为我们在进化上有很近的亲缘关系。它们的大脑和我们的很像,而且很多运行原理是相同的,研究它们的连接组,也会给了解我们自己的大脑带来许多启发。公元79年,维苏威火山爆发,成吨的火山灰和岩浆掩埋了罗马的庞贝城。庞贝城的时间凝固了,它从此长眠于地下,直至将近两个千年之后,才被建筑工人意外发现。18世纪的考古学家把它挖开,异常兴奋地看到了一幅栩栩如生的罗马生活图景——奢华的度假别墅,街道上的喷泉景观、公共浴室、酒吧、面包店、市场、健身馆、剧场,反映衣食住行的壁画等。这是一座死去的城,却让我们得以观察罗马生活的细节。就像庞贝古城一样,如今我们也只能通过分析死去的大脑的图像来寻找连接组。这项工作本来的名称是神经解剖学,但我们可以把这项工作想象成大脑考古学:一代又一代的神经科学家,凝视着显微镜下那些冰冷的神经元的尸体,思考着它们的过去。一个死去的大脑,其中的分子被防腐药水凝住,就像一座纪念碑,纪念那些曾经由它产生的思想和感受。在过去,神经解剖学的工作十分类似于通过硬币、坟墓或陶罐之类的零散证据来重建一个古代文明,而现在,连接组就像庞贝古城一样,是大脑的一个凝固的全景。这些全景使神经解剖学家获得了革命性的能力,去研究和重构活体大脑的功能。你也许会问,既然有很酷的技术能够直接研究活体,为什么还要研究死去的大脑?假如有时间旅行,直接穿越到当年完好的庞贝城去看看,岂不是能够了解更多?其实,未必如此。想象一下就不难发现,游览和观察一个活动的城市,存在很多限制。当你观察一个活人的行为时,你就错过了其他人同一时间的行为。或者你可以通过红外卫星图片去观察一个区域的平均活动情况,但就看不到更具体的细节了。因为这些约束,所以直接去考察一个活动的城市并不像我们想象的那么畅快。我们用以直接研究活体大脑的技术,同样存在着这样的限制。把颅骨打开,可以观测神经元的形态和电信号,可是大脑有上千亿个神经元,我们每次只能观测极少的一部分。如果采用非侵入的成像技术,透过颅骨去观测大脑内部,就没办法观测单个的神经元,只能得到一个区域的形态和活动等粗糙的信息。或许将来有一天,会有更先进的技术使我们突破这些限制,直接观测活体大脑的每一个神经元,但就今天而言,这还只是一个幻想。研究活体大脑和死亡的大脑其实各有优缺点,在我看来,最好的方法是同时结合这两种手段。然而,确实有一些神经科学家认为研究死亡的大脑是没有意义的,只有研究活体大脑才是神经科学的王道,他们的理由是:你是你的所有神经元的活动。这里的“活动”是指神经元的电信号。这些电信号能够给出大量的信息,即神经元在任意时刻的活动,这些信息编码了你在这一时刻的思考、情绪和感觉。前面说过,你是你的连接组,现在这里又说你是你的所有神经元的活动,那么你到底是什么呢?这两种说法看起来是矛盾的,但实际上它们是兼容的,因为它们涉及对自我的不同认识。活动论所指的自我,是动态的自我,是时时在变的,可能现在很生气,过一会又会变得兴奋,然后去思考人生的意义,做些家务活,欣赏外面的落叶,再打开电视看球赛。这个自我是与意识分不开的。因为大脑的神经元活动始终在变化,所以这种自我的本质是变化不定的。而连接组论所指的自我,是一种静态的自我,就像你童年的记忆会伴随你的一生。这种自我的本质——通常称为个性——是稳定的,这个事实会让我们的家人和朋友感到舒服。你的个性会表现在你的意识中,但是当你没有意识的时候,比如睡觉的时候,你的个性仍然持续地存在。这种意义上的自我,就像连接组,随着时间推移,只会有很缓慢的变化。这就是连接组论所指的自我。在过去,意识的自我吸引人们做了大量的研究。在19世纪,美国心理学家威廉·詹姆斯(William James)提出了“意识流”,即意识就像一条河流,始终在心灵当中流淌。但是詹姆斯忘了一件事,那就是所有的河流都需要河床。如果没有地上的那些凹糟,水根本不知道该往哪里流。正是连接组提供了路径,神经活动才能够流动,从这个意义上说,应该把它称为“意识河床”。这是一个非常好的比喻。随着时间的推移,水流也会慢慢地塑造河床,正如神经活动会塑造连接组。这两种关于自我的不同概念,一种是快速移动、时刻在变化的河水,一种是稳定、缓慢变化的河床,其实是谁也离不开谁的。头图:freepik.com作者简介承现峻(Sebastian Seung),美国普林斯顿大学神经科学研究所与计算机科学系Anthony B. Evnin讲席教授,三星电子社长、三星研究院院长,连接组学领域先驱。  推荐阅读
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作者:[美]承现峻译者:孙天齐
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